Эффективность работы дизельного двигателя

Эффективность работы автомобиля определяется совместным влиянием всей совокупности его эксплуатационных свойств, в которой основными являются следующие: динамичность, топливная экономичность, устойчивость, управляемость, плавность хода, проходимость и надежность.

Эти свойства изучаются по отдельности в определенной последовательности. Вместе с тем они тесно взаимосвязаны друг с другом и изменение одного свойства приводит к изменению других. При этом улучшение одних свойств может привести к ухудшению других.

Эксплуатационные свойства техники характеризуют возможность ее эффективного использования в определенных условиях и позволяют оценить насколько конструкция техники соответствует требованиям эксплуатации.

В работах И.А. Бескина, Е.В. Буянова, А.Г. Козлова сформулированы требования к конструкции техники, предназначенной для эксплуатации в условиях холодного климата. Однако, они направлены лишь на устранение недостатков, выявленных, при работе на Севере обычной техники. Выполнение этих требований привело к увеличению массы дополнительного оборудования, которым комплектуется северная модификация техники.

Рассмотрим эксплуатационные свойства автомобилей применительно к северным условиям.

Динамичность определяется максимальными скоростями прямолинейного движения автомобиля в различных дорожных условиях, способностью быстро увеличивать или уменьшать скорость движения. Тяговая динамика (тягово-скоростные свойства) автомобиля определяется максимальными скоростями движения и максимальными ускорениями в различных дорожных условиях; тормозная динамика (тормозные свойства автомобиля), определяется способностью быстро снижать скорость движения

Топливная экономичность является важным эксплуатационным свойством.

Эксплуатация автомобилей в условиях холодного климата неизбежно связана с увеличением расхода топлива.

Расход топлива на Севере увеличивается не только из-за низких температур воздуха, но и из-за ухудшения структуры теплового баланса двигателя и баланса расхода энергии автомобилем. Дело в том, что, во-первых, часть энергии работающего двигателя расходуется на привод вспомогательных агрегатов специализированного автомобиля, во-вторых, неполнота сгорания топлива, связана с ухудшением его испарения и распыливания; в третьих, дальние рейсы и невозможность дозаправки по дороге вынуждают возить с собой значительные запасы топлива; в четвертых, несовершенство систем обеспечения запуска двигателя при низких температурах приводит к тому, что при кратковременных и даже длительных стоянках двигатели не глушатся, а работают, расходуя горючее.

Под управляемостью понимают свойство автомобиля изменять направление движения при изменении положения управляемых колес.

От управляемости зависит безопасность движения. На Севере, при движении по зимнику, коэффициент сцепления колес с дорогой в поперечном направлении в 3-5 раз меньше, чем при движении по дороге в хорошем состоянии проезжей части.

Особенно высокие требования к устойчивости предъявляются при работе автомобиля на скользких дорогах и при движении с большими скоростями. Устойчивость автомобиля вместе с его управляемостью и тормозной динамичностью обусловливают безопасность движения.

Под проходимостью понимают свойство автомобиля уверенно двигаться по ухудшенным (мокрым, скользким) и плохим (разбитым, размокшим) дорогам, пересеченной местности вне дорог, преодолевать естественные и искусственные препятствия (канавы, рвы, пороги) без вспомогательных устройств; проходимость имеет большое значение для автомобилей, работающих в сельском хозяйстве, лесной промышленности, на строительстве, в карьерах.

От плавности хода зависит сохранность груза и утомляемость водителя и пассажиров. Плавность хода автомобиля, при роботе его на Севере, не оказывает большого влияния на его эффективность.

С развитием техники значительно усложнились конструкции машин и механизмов, повысились требования к их надежности и долговечности, а это в свою очередь, вызвало ужесточение требований к разработке конструктивных, технологических методов и эксплуатационных мероприятий по выполнению надежности.

Надежность является одной из основных проблем современной техники, так как качество машин характеризуется не только их общими показателями, но главным образом уровнем надежности – способностью машин выполнять свои функции в течение длительного времени с минимальными затратами труда и материальных средств на поддержание их в работоспособном состоянии.

Надежность машин закладывается при конструировании, изготовлении и реализуется в процессе эксплуатации. Первоначальный уровень надежности и операции по его поддержанию определяют затраты на содержание машин. Снижение этих затрат – основная задача инженерной службы промышленного комплекса.

Наиболее ответственным и, вместе с тем, наименее надежным агрегатом грузовых машин является двигатель. В свою очередь, топливная аппаратура представляет собой наиболее сложную и дорогую часть дизельного двигателя. Выходные параметры топливной аппаратуры непосредственно определяют характер рабочего процесса дизеля, его мощность, экономичность и надежность в эксплуатации. Отказы топливной аппаратуры составляют существенную часть отказов двигателя.

Надежность является одной из основных проблем современной техники, так как качество машин характеризуется не только их общими показателями, но главным образом уровнем надежности – способностью машин выполнять свои функции в течение длительного времени с минимальными затратами труда и материальных средств на поддержание их в работоспособном состоянии.

А.Н. Островцев ввел понятие потенциальное свойство надежности. Это сопротивляемость изделия (автомобиля) с определенной закономерностью, изменению состояния и нарушения рабочих функций под воздействием внутренних факторов.

Эксплуатационная надежность автомобиля – это реализация, с определенной закономерностью потенциальных свойств надежности в конкретных условиях автотранспортных предприятий и дорожно-климатических зон в течение амортизационного периода или его части.

А.П. Островцев относит ГОСТ 13377-75 к терминам и показателям эксплуатационной надежности. В работе рассматривается вопросы потенциальной и эксплуатационной надежности.

На основе проведенных под руководством Г.С. Лосавио исследований научно обосновано выделение комплекса низкотемпературных свойств автомобиля, т.е. совокупность конструктивных особенностей его, характеризующих способность сохранять работоспособность при температуре до минус 60 С и обеспечивать безотказную, безопасную, комфортабельную работу. В этот комплекс входят:

Работоспособность электропусковой системы, которая при использовании северных сортов эксплуатационных материалов характеризуется количеством возможных включений стартера при пуске холодного двигателя при 24-х часового охлаждении автомобиля.

Пусковые свойства холодного двигателя оцениваются предельной его температурой, при которой без использования вспомогательных средств пуска возможен надежный (после трех включений стартера) пуск холодного двигателя от холодной аккумуляторной батареи, имеющей 75 % номинальной емкости. Пусковые качества двигателя при использовании соответствующих сортов топлива и масла, но без изменения вспомогательных средств облегчения пуска, считаются удовлетворительными, если пуск осуществляется при температурах не выше -20ºС для карбюраторных и -15ºС для дизельных двигателей.

Эффективность предпусковых подогревателей оценивается продолжительностью подогрева двигателя при температуре от -60ºС до заданных положительных температур (+30ºС), обеспечивающих легкий пуск двигателя и нормальную его работу под нагрузкой.

Эффективность вспомогательных средств облегчения пуска холодного двигателя без предварительного подогрева (с применением легковоспламеняющихся пусковых жидкостей и пусковых дозаторов) оценивается величиной снижения предельной отрицательной температуры холодного пуска без применения этих средств.

Эффективность терморегулирующего комплекса двигателя оценивается скоростью нагрева двигателя от момента пуска до оптимальных температур; возможностью поддерживать оптимальный тепловой режим работающего двигателя при температурах наружного воздуха до -60ºС, скоростью снижения температуры двигателя после его остановки.

Эффективность системы отопления автомобиля оценивается удовлетворительно при продолжительности разогрева от температур -50º + 60ºС до нулевой не более, чем за 20-25 минут после начала движения автомобиля (включения системы отопления).

Эффективность автономных отопительных кабин, применяемых в аварийных случаях, (когда двигатель не работает) и использующих тепло, оценивается поддерживаемой в кабине температурой воздуха.

Эффективность теплоизоляции кабин оценивается скоростью снижения температуры воздуха в них от +10ºС до 0ºС при неподвижном автомобиле и выключенных двигателе и источников обогрева при наружной температуре до – 60ºС. Допустимо снижение температуры воздуха в кабине не более 0,3.

Эффективность системы обогрева и утепления (термоизоляции) аккумуляторной батареи оценивается удовлетворительно, если температура электролита (при работающем двигателе) поддерживается не ниже +15ºС и при обеспечении скорости охлаждения электролита батареи не более 2 град/ч. при безгаражном хранении автомобиля в течении 24 часов.

Тягово-динамические свойства автомобиля при низких температурах оцениваются отношением максимальных скоростей, а также путями выбега в зимнее и летнее время.

Топливная экономичность автомобиля при низких температурах оценивается отношением контрольных расходов топлива на заданной скорости для зимнего и летнего периодов

Кт = ?³/?? × 100%

т.е., чем больше величина Кт приближается к 100% или к единице, тем выше оценивается топливная экономичность автомобиля.

Низкотемпературная долговечность автомобиля в основном определяется сроком службы двигателя, поэтому износостойкость автомобиля оценивается отношением величин пробега до капитального ремонта двигателя северной модификации автомобиля в условиях Севера и базового автомобиля в условиях зоны умеренного климата.

Надежность дизельного двигателя можно определить, как свойство находиться в работоспособном состоянии, т.е. выполнять заданные функции, сохраняя значения установленных в эксплуатационных показателей в пределах, соответствующих заданным режимам и условиям использования.

Исследования показали, что большая часть отказов двигателей происходит из-за неисправности топливной аппаратуры. Вследствие нарушения топливной аппаратуры дизели развивают эффективную мощность меньше номинальной 12…17%, а расход топлива увеличивается в этом случае на 12…25%, а производительность снижается на 12…13 %.

Последние годы характеризуются значительным усложнением конструкций дизельной топливной аппаратуры, появлением в эксплуатации новых моделей аппаратуры с оригинальными составными частями, ужесточением требований к удельному расходу топлива дизелями.

Состояние топливной аппаратуры характеризуется следующими параметрами: давление впрыска и качеством распыливания топлива форсунками, производительностью подкачивающего насоса, пропускной способностью фильтрующих элементов грубой и тонкой очистки топлива, состоянием перепускного клапана, степенью изношенности плунжерных пар и нагнетательных клапанов, частотой вращения кулачкового вала топливного насоса (коленчатого вала),производительностью элементов топливного насоса, степенью неравномерности подачи топлива элементами топливного насоса, массовым расходом топлива, углом опережения подачи или впрыска топлива в цилиндры двигателя.

Чтобы поддерживать показатели работы топливной аппаратуры в допустимых пределах в течение межремонтного периода, необходимо своевременно выполнять операции технического обслуживания и устранять неисправности, возникающие в процессе эксплуатации. Это создает наиболее благоприятные условия для работы сопряженных деталей, снижает до минимума их износ и тем самым обеспечивает необходимую стабильность значений параметров состояния топливной аппаратуры.

Признаками неудовлетворительной работы топливной аппаратуры могут быть: трудный пуск двигателя, неустойчивая работа, дымность отработавших газов, пониженная мощность и экономичность.

Наряду с эксплуатационными условиями работы и производственными факторами на надежность двигателей влияет качество используемого топлива.

Помимо этого, при небрежной транспортировке и доставке дизтоплива в его состав может попасть вода. Ее присутствие понижает теплотворную способность топлива, а значит – понижает мощность двигателя.

Контроль качества дизельного топлива в процессе эксплуатации является одним из наиболее важных аспектов обеспечения надежности двигателей грузовых автомобилей. В этом направлении необходимы дополнительные исследования.

Эксплуатация техники в условиях низких температур сопряжена с серьезными трудностями. С понижением температуры затрудняется пуск двигателя, резко увеличивается (вследствие загустевания смазочных масел) сопротивление движению, что требует для движения повышенной мощности, происходит интенсивное ухудшение эксплуатационных свойств рабочих жидкостей, смазочных материалов, резинотехнических изделий и конструкционных материалов, снижающих надежность техники.

Пуск и работа холодного двигателя сопровождается повышенным изнашиванием основных его рабочих деталей. Это имеет место по ряду причин: из-за поступления масла к трущимся поверхностям с некоторым запаздыванием после начала работы двигателя.

По данным исследований, время задержки появления масла из коренного подшипника после начала работы насоса может составлять до 2 мин. и более; из-за смазывания масла со стенок цилиндра топливом, попадающим в цилиндр в жидком виде, что приводит к ухудшению смазки; из-за быстрого загрязнения масла, вызываемого неудовлетворительной его фильтрацией вследствие резкого снижения пропускной способности фильтров тонкой очистки, в результате повышения вязкости смолистых веществ, отложившихся в них.

При низких температурах значительно активизируется коррозия деталей цилиндропоршневой группы двигателя. В условиях низких температур намного выше вероятность отказов топливной системы дизелей. Их причиной могут быть ледяные и воздушные пробки в трубопроводах, которые образуются вследствие скопления мелких кристалликов льда при замерзании воды, находящейся в дизельном топливе. В условиях низких температур снижается также надежность гидравлического тормозного привода из-за возможного застывания некоторых тормозных жидкостей.

Определенное влияние на надежность оказывает снежная пыль, поднимаемой движущимся автомобилем, которая засасывается с воздухом в работающий двигатель, забивая фильтрующие элементы воздухоочистителя. Снежная пыль попадая в тормозную систему и топливные баки, приводит к отказам тормозов и перебоям подачи топлива. Она проникает во все полости автомобиля, в том числе через малейшие неплотности под крышки электроприборов, в результате чего возникают нарушения работы электрооборудования.

При переходе температуры через нулевое значение происходит выпадение и замерзание конденсата и влаги в узлах и агрегатах, образуются пробки в трубопроводах, происходит примерзание манжет к валам и штокам, расширение замерзающего льда и связанные с этим разрушения. Такие отказы возникают и в зоне умеренного климата, но количество дней с переходом через нулевое значение в зоне холодного климата около 90, тогда как в умеренном климате таких дней 70.

Резины вначале теряют эластичность, а затем становятся хрупкими. Разгерметизация уплотнительных манжет приводит к утечкам жидкостей, масла, воздуха. На деталях из резины приводят к выходу из строя эти детали, изоляция проводов разрушается, происходят короткие замыкания и отказы электрооборудования.

При температуре -35ºС и ниже, воздействие низких температур сказывается на состояние металлических деталей, возрастает количество хрупких разрушений, особенно деталей, работающих на открытом воздухе, подверженных динамическим нагрузкам.

Другой причиной понижения надежности машин в условиях холодного климата является повышенный износ. Этот вид отказа характерен для трансмиссии и двигателя.

Причиной этого является влияние температуры окружающего воздуха на масло, которое должно обеспечивать жидкостное трение сопряженных деталей, отводить тепло, удалять из зазоров продукты износа и защищать поверхность от коррозии. При понижении температуры снижаются смазывающие свойства из-за увеличения вязкости, ухудшаются прокачиваемость масла в системе смазки и масло не поступает к трущимся поверхностям, возникает полусухое или даже сухое трение, проявляется склонность к образованию смолистых веществ.

Характер износных отказов не отличается от отказов в умеренном климате, но с понижением температуры возрастает их интенсивность.

Иногда в зимнее время используют смесь керосина и летнего сорта топлива.

Например, при температуре воздуха от -20 до -30ºС рекомендуется применять смесь, состоящую из 80-90% летнего топлива и 10-20 % керосина. Вместо керосина в дизельное топливо добавляют бензин, однако такой способ малоэффективен. При работе на такой смеси ухудшаются показатели топлива, повышается жесткость его работы, что влияет на долговечность деталей цилиндропоршневой группы. Дизельное топливо обладает смазывающими свойствами, для точных деталей топливного насоса и форсунок; добавление бензина, ухудшается смазывающие свойства топлива.

Подогрев дизельного топлива в зимний период обеспечивает снижение его вязкости (повышение текучести), предотвращает парафинизацию в ответственных узлах топливной магистрали, восстанавливает и улучшает фильтруемость. Таким образом, за счет обеспечения стабильной подачи и очистки топлива, как в предпусковой период, так и при работающем двигателе, существенно облегчается эксплуатация дизельного автомобиля в условиях низких температур.

И по своему функциональному назначению подразделяются на:

• подогреватели фильтров тонкой очистки (накладные – бандажные);
• подогреватели проточные (устанавливаются в разрез штатного топливопровода перед фильтрами тонкой очистки);
• подогреватели гибкие ленточные (для фильтров и топливопроводов);
• подогреватели стержневые (для фильтров-сепараторов различных систем);
• насадки подогреваемые (для штатных топливозаборников);
• топливозаборники подогреваемые (устанавливаются в топливный бак в замен штатных).

Ведущими производителями подогревателей дизельного топлива являются фирмы AlternativeTechnologyGroupGmbH, ATG (модель DieselTherm), Parker (модель Racor), Номакон (НОвыеМАтериалы и КОНструкции).